水气二相流光滑粒子流体动力学方法研究进展

从状态方程、连续方程、动量方程和其他数值技术等方面,对光滑粒子流体动力学(SPH)解决水气二相流问题的数值技术和最新进展进行了综述,并对各项技术进行了评价。最后,提出了未来的研究展望。

基于SPH方法的低密度粒子流成型数值仿真

为研究低密度材料药型罩形成粒子流的特性,使用AUTODYN有限元软件采用光滑粒子流体力学(SPH)方法对低密度材料药型罩形成粒子流进行数值仿真研究,进行了实验验证。药型罩材料选用聚四氟乙烯(PTFE)基体中加入质量分数为38.5%,密度为8.93 g·cm^(-3)铜粉的改性聚四氟乙烯/铜(PTFE/Cu)。研究结果表明:SPH方法可以有效地模拟爆炸和粒子流的形成,且在数值模拟过程中选择炸药粒子间距和药型罩材料粒子间距均为0.03 cm较为合适;在爆轰波的作用下,PTFE/Cu材料药型罩无法形成凝聚的射流,会形成飞散的粒子流,通过X光照片可以观察到射流是非常细小的颗粒,且光学密度沿径向增加;在40μs前仿真与实验形成粒子流的形态有很高的相似性,仿真结果与实际情况吻合性较好,而在100μs后实际粒子流的运动表现出很强的不确定性,出现螺旋、偏移等现象。

基于SPH方法的电场下液滴动力学数值模拟

建立了适用于电场作用下液滴动力学的光滑粒子流体动力学(SPH)模型,并验证了模型的准确性。运用此模型研究了电场强度对液滴聚并时间的影响。结果表明:电场强度增加,液滴接触时的极化变形程度增加,不利于液滴融合,当电场强度过高时,液滴会发生破碎;当电场强度达到2860 kV/m时,液滴粒子迅速向边壁移动,液滴在其端部向四周扩张之前,已经发生破碎,液滴的破碎时间趋于稳定;当电场强度达到3580 kV/m时,液滴两端受到了更大的电场力,液滴被迅速拉伸变形,液滴从中间部位直接破碎为左右两个子液滴;当液滴直径达到6 mm时,固壁边界抑制液滴变形,液滴的破碎时间迅速上升。

基于SPH方法的过闸水流数值模拟

针对过闸水流问题,基于光滑粒子流体动力学方法(SPH),对边界处理方法进行了改进,重新率定了排斥力主要参数,当n1=4、n2=2时,可避免非物理振荡现象的出现;同时,对补水模式进行了比选研究,明确了在最优补水模式为3 m高程差的底孔补水模式,可减少上游水体粒子的净流出。在此基础上,建立了过闸水流冲击下游消力池的数值模型,模拟了过闸水流流出水闸至跃出消力池的过程。结果表明,初始时刻上游水域底部最大压强为127.4 kPa,第7 s时消力池右端断面平均流速为7.07 m/s, 19 s时消力池右端断面平均流速减小到1.4 m/s。可见SPH方法能准确模拟出泄流过程流速压强及流态变化情况。

基于光滑粒子动力学方法的爆轰波对碰实验数值仿真

为分析爆轰波对碰实验及不同材料飞层在爆轰波对碰作用下的动力学响应,采用能处理断裂和复杂界面的光滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法进行数值模拟.采用二维轴对称SPH离散形式,光滑函数采用B-样条函数;利用二维流体动力学程序进行数值模拟.数值模拟结果与实验结果符合较好,表明SPH方法能定性描述铅飞层对碰区凸起处于散碎、雾化的非连续、非密实状态.数值模拟表明铅飞层对碰区的凸起部位较钨飞层严重,这与两种材料的强度及可压缩性存在差异有关.

光滑粒子动力学方法的发展与应用

光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)是一种拉格朗日型无网格粒子方法,已经成功地应用到了工程和科学的众多领域.SPH使用粒子离散及代表所模拟的介质,并且基于粒子体系估算和近似介质运动的控制方程.本文分析和综述了SPH模拟方法的发展历程、数值方法与应用进展.介绍了SPH方法的基本思想;从连续性、边界处理、稳定性和计算效率4个方面阐述了SPH方法的研究现状;介绍了SPH方法近年来在可压缩流动、不可压缩流动以及弹塑性材料高速变形与失效方面的一些典型应用;并对SPH方法的发展与应用进行了预测与展望.

光滑粒子动力学方法及其应用

光滑粒子动力学(Smoothed Partic le Hydrodynam ics,SPH)方法是近年来得到广泛发展和应用的无网格方法的一个重要分支,它是一种纯Lagrangian方法。本文对现有的光滑粒子动力学方法进行了综述,介绍了该方法的理论基础、连续介质守恒方程、方法稳定性的改善等,重点阐述了边界条件的处理,并给出了SPH方法的算例。最后,介绍了SPH方法的最新进展状况。

SPH数值模拟中固壁边界的一种处理方法

在光滑粒子流体动力学 (SPH)数值模拟中尝试了一种处理固壁边界的边界力方法 ,给出了一种新的边界力形式。利用SPH方法及边界力方法对水坝坍塌和涌波进入静止水塘这两个自由表面流动问题作了数值模拟。数值模拟结果表明 。

基于SPH-ALE方法的波浪水槽数值模拟

为了精确模拟波浪传播,基于光滑粒子流体动力学及任意拉格朗日欧拉(SPH-ALE)方法建立二维数值波浪水槽,在原SPH方法中引入近似黎曼求解器替代人工黏性项,采用排斥力边界条件防止流体粒子穿透固边界,海绵层内采用指数型衰减函数来消除水槽末端的波浪反射,并对规则波的传播进行数值模拟。结果表明:与采用人工黏性项的原SPH方法相比,SPH-ALE方法能够无衰减地模拟波浪传播,并可有效减小固边界附近的粒子压力振荡。

基于SPH方法的微注射成型数值模拟

基于无网格方法和黏性本构方程,开展微注射成型数值模拟的研究。采用光滑粒子流体动力学的粒子近似法离散N-S控制方程组,求解速度场、压力场、温度场等物理场的变化规律。以应用于生物医学领域带有细微针头的聚合物微针为例,进行充型过程的数值模拟,模拟结果与实验结果基本一致。

自由表面流动问题的SPH方法数值模拟

利用光滑粒子流体动力学 (SPH)方法对两个自由表面流动问题——水坝坍塌及涌波进入静止水塘作了数值模拟 ,尝试了一种处理固壁边界条件的方法——边界力方法。数值模拟结果表明 ,SPH方法在处理流体复杂大变形问题方面具有优越性 ,而边界力方法则是

基于改进SPH方法的自由表面流动问题的数值模拟

针对传统光滑粒子动力学方法(smoothed particle hydrodynamics,SPH)在边界区域以及粒子分布不均匀的区域精度和稳定度较差的问题,对传统SPH方法中的密度近似方程进行了修正,运用改进的SPH方法对自由表面流动问题进行了数值模拟.结果表明:改进的SPH方法完整地得到了水流与障碍物及壁面相互作用而产生的水花飞溅、融合等复杂的自由表面变化特征,模拟结果与VOF(Volume of Fluid)方法得到的结果基本一致.

基于SPH方法的两平行平板间层流的数值模拟及验证

基于SPH方法的基本原理,综合考虑了对各种定解条件的设置,用Fortran语言独立编写了一套用于模拟两平行平板间层流的SPH二维计算程序,并应用于泊肃叶流和库埃特流的数值模拟之中,将模拟结果与理论解析解和通过Flow-3D软件数值模拟得到的数值结果进行对比,分析表明三种方法得到的计算结果非常吻合,从而实现了对SPH数学模型和SPH计算程序的验证,为SPH方法的进一步发展和广泛应用奠定了一定的基础。

爆炸复合边界效应SPH方法的数值模拟（英文）

利用LS-DYNA软件采用无网格的光滑粒子流体动力学(SPH)方法对爆炸复合的边界效应进行了二维数值模拟研究。结果表明,金属射流现象和边界效应与爆炸复合生产实践一致。爆炸复合边界效应产生原因并非是由于边界的冲击能量过剩而造成基复板碰撞时边界处的打伤打裂,在基复板碰撞之前,断裂已经产生,认为爆炸复合边界效应的产生是由于稀疏波对边界处爆轰产物的影响,导致复板边界处与内部存在速度差,从而使复板边界处的碰撞角变大,在爆轰产物压力的作用下发生断裂。此外,采用蜂窝结构炸药及双面爆炸复合方法可以使得边界效应得到有效控制。

退水渠道水力特性模拟的SPH方法及工程应用

退水渠建筑物是排泄灌溉渠道内剩余水量或入渠洪水的渠道,在灌区中起着至关重要的作用。为了得到退水渠道的水力特性,更好地指导工程设计和运行管理,通过三维建模,利用光滑质点水动力学方法(SPH)对退水渠进行数值模拟,对不同退水流量工况的沿程水深、水流流速以及消能率进行分析,结果表明:4种典型退水流量下,水面线会随退水流量的增大而升高,在设计流量Q=5.99m^(3)/s时,分水池段的最大水深为1.69m,经验算满足边墙设计高度;渠道水流流速最大处在陡坡段末x=35m位置,最大流速6.53m/s;退水渠的消能率随着入流流量的减小而增大,4种典型流量的消能率最终达到了59.3%、57.04%、54.69%、50.02%。

SPH方法在溃坝数值模拟中的应用

光滑粒子流体动力学(SPH)方法是一种纯拉格朗日无网格方法,适用于模拟波浪破碎、高速水流、高速冲击碰撞等瞬时极大变形的问题。介绍了SPH方法的基本原理、核函数及离散格式的控制方程、边界处理方法等,建立了数值水槽模型,验证了模型的有效性。应用SPH方法模拟了二维溃坝问题,考虑了添加无孔障碍物和有孔障碍物的2种情形,将模拟得到的结果进行对比分析。结果表明,SPH方法能够很好地捕捉流体自由面变形、飞溅及融合现象,在一定程度上有孔障碍物有更好的消能效果。

离散元与光滑颗粒流体力学耦合方法及应用

磨机尺度极大,采用常规物理相似模拟和物料平衡模型适用性的方法,无法对磨机出料端排矿的动态过程进行观测和开展定量化表征,本文通过耦合离散元方法和光滑粒子流体动力学方法实现基于动态自由面的固液两相流仿真,并应用于量化对比不同磨机衬板机械结构对其排矿效率的影响.通过开展流变仪试验及仿真,确定了反映选定矿浆的流变特性参数及对应数值模拟参数.选取直型及弧型出料端衬板设计,基于所开发的数值模拟进行磨机排矿量及矿浆提升器回流量的量化表征.数值模拟结果表明,弧型出料端衬板的排矿量提升了13.4%,且矿浆提升器回流量降低了93.3%,现场工业试验结果与数值结果误差较小,验证了所开发的数值模拟模型的准确性.

基于溃坝模型的SPH方法光滑函数模拟

为研究光滑函数对溃坝数值模拟结果的影响,基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)法的基本原理,选取三次样条型和Wendland型两种光滑函数对溃坝进行数值模拟,并以高斯型光滑函数为基准,从流体压力云图、粒子压强来比较溃坝数值模拟结果。研究发现:三次样条型和Wenland型光滑函数都能较好地模拟溃坝流体的整个流动过程;三次样条型光滑函数计算精度较低,但计算时间较短,Wenland型光滑函数既可以保证计算精度又可以有效地减少计算时间。为采用SPH方法进行流体动力研究时,光滑函数的选取提供依据。

挡风墙周围风沙流运动特性SPH数值分析

光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)是一种纯拉格朗日、无网格的流体模拟方法。首先对SPH法的基本原理、核函数构造及控制方程离散方法、边界处理及邻域粒子搜索算法、时间积分等作了具体介绍。通过Linux平台编写的二维SPH程序较好地模拟了挡风墙周围风沙两相流的运动特性。仿真结果再现了沙障附近积沙的复杂物理现象:挡风墙周围积沙量以挡风墙为中心,呈“正态性”分布,中间多,两边少。且挡风墙存在时,对风速的阻挡作用随挡风墙高度增加而减小,水平风速超过其垂向高度后逐渐恢复至无挡风墙时的风场状态。表明风沙流运动过程中挡风墙对跃移沙粒和来流风具有明显的阻挡效应,与已有相关模拟结果相符,验证了SPH数值模拟方法的有效性。并为SPH方法在风沙两相流领域的进一步拓展和应用奠定了基础。

破片飞散仿真SPH方法中的初始粒子间距

为了解光滑粒子流体动力学方法数值模拟结果对初始粒子间距的依赖性,更合理地选取初始粒子间距h,选用AUTODYN软件以战斗部爆炸破片飞散仿真为例开展均匀初始粒子间距以及不均匀粒子间距对影响数值模拟的研究;通过定义无量纲参数λ和γ(λ为战斗部壁厚与初始粒子间距之比,γ为战斗部壳体粒子间距与内部TNT粒子间距之比),对不同粒子间距战斗部模型开展相同初始条件下的数值计算,对比分析爆炸破片的速度和数量特性;结果表明:均匀初始粒子间距的选取对仿真结果的准确性影响很大,为保证模拟精度,h的合理取值范围是6<λ<8;选取不均匀粒子间距时,增加γ值对计算精度提高不明显。